2.1 熱沖壓技術簡介

汽車工業中，在保證安全性的前提下，為了達到減重和環保的目的，車用高強鋼和超高強度鋼板以其強度高的特點受到廣泛關注，已經成為滿足汽車減重和保證碰撞安全性的重要材料。隨著鋼材強度的提高，傳統冷沖壓方法導致高強鋼成形過程中易發生開裂、回彈等情況，成形件的形狀與尺寸穩定性較差，不宜生產汽車設計所需要的結構復雜零件。為了解決高強鋼鋼板難以冷成形的問題，熱沖壓成形的技術逐漸發展并被汽車工業應用。

早在20世紀80年代初期，薩博汽車公司首先將高強鋼熱沖壓技術應用于薩博9000車型上，生產出第一批熱沖壓成形汽車零件，使得熱沖壓成形技術在汽車的應用上邁出了第一步。

2008～2010年，國外大約有110條熱沖壓生產線，主要分布在美國、德國、日本、以及法國、西班牙、瑞典等國家。中國僅5條生產線，分別是長春BENTLER、上海昆山GESTAMP、上海BENTLER、上海嘉定COSMA及上海寶鋼。熱沖壓生產線大多由瑞典AP&T公司及德國Shuler公司提供，這兩家公司幾乎壟斷了全球所有的熱沖壓成形生產線市場。隨著熱沖壓成形技術的不斷發展，國內熱沖壓生產線的數量也不斷上升。

2006年，華晨汽車與寶鋼通力合作，開發了自主品牌首個量產熱沖壓成形B柱，應用在“中華尊馳”和“中華駿捷”出口車型上，提高了碰撞安全性能。之后，越來越多的車型應用了熱沖壓B柱。

熱沖壓成形（Hot Stamping，Press Hardening）是將鋼板加熱到奧氏體化溫度以上，快速移動到模具上，高溫坯料在模具內被沖壓成形的同時完成淬火的一種工藝。

熱沖壓零件是采用熱沖壓工藝制造的零件。通常，熱沖壓后還需要進行激光切割、拋丸（若是裸板的情況下）等處理。目前，已經有模具熱切邊、無切邊或少切邊等新工藝在開發中。

（1）適用于熱沖壓成形零件的鋼板特性

適用于熱沖壓成形零件的鋼板，主要是低碳微合金硼鋼體系，其特性如下：

1）常溫狀態下，材料的微觀組織為鐵素體/珠光體混合組織，抗拉強度為400～600MPa。

2）熱沖壓成形中，板材經奧氏體化（900～950℃，保溫3～10min）后，流動性能好，塑性變形能力大幅提高。

3）熱沖壓成形后，材料發生馬氏體相變，抗拉強度提升到1500MPa及以上。

4）相對冷沖壓成形，熱沖壓成形的接觸條件對板料成形的影響作用顯著提升。板料與模具的接觸時序和接觸狀態差異不僅會影響其冷卻相變過程，還將引起溫度梯度，溫度低的區域變形抗力高，而溫度相對較高的區域變形抗力低，易引發應變集中，造成局部失效。

5）熱沖壓零件在高溫下成形，零件表面存在氧化，表面質量控制要求高，不易起皺和破裂，基本沒有回彈，尺寸穩定性比較好。

（2）熱沖壓成形技術的原理

首先將高強鋼鋼板（圖2-1狀態1）置于850～950℃的加熱爐中加熱，保溫3～10min，使高強鋼鋼板完全均勻奧氏體化（圖2-1狀態2）；然后送入帶有冷卻系統的模具中在高溫下進行沖壓成形，材料在該溫度下僅有約200MPa的強度和高于40%的伸長率，成形性能極好，可成形為形狀復雜的零件；之后保壓、快速冷卻淬火，使奧氏體轉變成馬氏體（圖2-1狀態3），構件的強度有很大提高，其抗拉強度可達到1500MPa左右，屈服強度可達到1000MPa左右。

在實際生產過程中，熱沖壓成形過程通常有兩種工藝：直接工藝與間接工藝，如圖2-2所示。在圖2-2a所示的直接工藝中，將鋼板置于加熱爐中加熱一段時間，而后將其轉移到帶有冷卻系統的模具中，經過沖壓成形和模內淬火等工序后制成熱沖壓工件。這種直接工藝主要用于生產形狀簡單而且變形程度較小的工件。在圖2-2b所示的間接工藝中，首先對鋼板進行冷沖壓預成形及切邊工序處理，再將其放入加熱爐中加熱，最后經過熱沖壓及淬火得到高強度的熱沖壓鋼板。間接工藝主要用于生產一些形狀比較復雜或拉深深度較大的工件。

隨著熱沖壓成形技術的不斷發展，直接成形工藝不斷替代間接工藝，目前車身上用熱成形零件95%以上都可采用直接成形工藝進行生產。生產線工藝流程為：料片拆垛→雙料檢測、打標→加熱爐上料→料片加熱→壓力機上料→成形、保壓淬火→壓力機下料。輔助工藝包括前處理工藝：進料檢驗和落料/堆垛；后處理工藝：激光切割、拋丸防銹處理、零件檢驗等。

（3）熱沖壓成形工藝的優點

與傳統冷沖壓成形工藝相比，熱沖壓成形工藝有如下諸多優點：

1）成形性好。高溫下材料成形性好，可用于成形復雜結構零件。

2）回彈小，零件尺寸精度高。高溫下成形沒有回彈，消除了回彈對零件形狀的影響，可實現高精度成形，這是常規冷沖壓成形無法比擬的。

3）需要模具數量少，成本低，周期短?？蓪⒗錄_壓成形需要多道工序、多套模具才能成形的零件一次成形，還可將幾個冷沖壓件合成一個件一次成形。

4）得到超高強度的車身零件，從而減小零件厚度，減少車身加強板、加強筋的數量，并提高車身的碰撞性能，實現車身重量的有效減輕。目前，已經研制出1.8～2.0GPa級別零件。

5）所需壓力機噸位小。高溫下材料變形阻力小，成形力小，熱沖壓壓力機噸位一般在1200t以內，冷沖壓成形壓力機在2500t以上，因此可以大幅削減設備投資，減少能耗。

（4）熱沖壓成形有待解決的問題

熱沖壓成形工藝有諸多優點的同時，也存在一些有待解決的問題：

1）模具復雜。模具設計、加工難度大，制造及調試周期長，模具及其配套工裝價格高，維護成本大。

2）工作環境相對較差。非鍍層鋼板熱沖壓后會產生氧化皮。

熱沖壓成形技術克服了傳統冷沖壓工藝成形困難、回彈嚴重以及容易開裂等諸多問題，已在歐、美等國汽車企業和國內汽車企業大范圍應用。熱沖壓成形件主要應用于車身結構中對強度要求高的零部件，如圖2-3所示。

從2013～2016年的歐洲白車身會議（ECB）的統計來看，熱沖壓成形技術的應用比例在提高，熱沖壓成形零件占車身重量比率情況如表2-1所示。